курсовой проект / термометр

Медь окисляется, поэтому она используется для измерения температуры до +200°С.

Номинальное сопротивление при 0°С составляет: 10, 50, 100 Ом. Им присвоены условные обозначения номинальных, статис­тических характеристик: ЮМ; 5ОМ и 100М. Номинальные ста­тистические характеристики преобразования медных термомет­ров приведены в табл.1.11.

Они выпускаются II и III классов. Для термометров II класса основная погрешность составляет 0,3 или 0,5°С, а для III класса -1 или 2°С. Интервал измеряемых температур от -200 до +200°С.

Платина наиболее полно отвечает требованиям, указанным выше, хотя имеет нелинейную зависимость от температуры. Для интервала температур от 0 до 630°С зависимость имеет вид:

(1.45)

а в интервале температур от -183 до 0°С:

(1.46)

Платиновые термометры имеют следующие сопротивления при 0°С: 1; 5; 10; 50; 100; 500 Ом. Номинальные статистические характеристики преобразования платиновых термометров при­ведены в табл.1.12.

Они имеют соответственно следующие обозначения: 1П; 5П; 10П; 50П; 100П; 500П. Они выпускаются I и II классов. Диапазон измерения может быть остаточно широк: от -260 до +11ОО°С.

В эксплуатации пока находятся термометры с другими значени­ями номинального сопротивления при 0°С. Платиновые: 10 Ом -градуировка 20; 46 Ом - градуировка 21,100 Ом - градуировка 22. Медные: 53 Ом - градуировка 23; 100 Ом - градуировка 24.

Зависимость сопротивления от температуры термометров раз­личных градуировок приведена в табл.1.13.

Для изготовления термометров сопротивления применяются также полупроводниковые материалы: германит, окислы меди, марганца, магния, титана и др. Они обладают большим отрица­тельным температурным коэффициентом. Зависимость сопротив­ления от температуры описывается выражением:

(1.47)

Значение R₀ определяется при температуре 20°С. Значение ко­эффициента В зависит от материала полупроводника.

Они имеют разброс характеристик, поэтому требует индиви­дуальной градуировки каждый отдельный термометр.

УСТРОЙСТВО ТЕРМОМЕТРОВ

Чувствительный элемент термометра состоит из проволоки, которая намотана на каркас из стекла, керамики, слюды или пла­стмассы. От чувствительного элемента идут выводы к зажимам головки термометра, откуда провода идут к измерительному при­бору.

Типичная конструкция платинового термометра сопротивле­ния приведена на рис.1.19.

Рис.1.19. Платиновый термометр

Чувствительный элемент представляет собой платиновую спи­раль 7 из тонкой проволоки, которая помещена в фарфоровую трубку 2. С торцов трубка закрыта пробками 3 и 4, Каналы труб­ки заполнены керамическим порошком 5. К концам спирали при­паяны выводные провода 6.

Чувствительный элемент вставлен в защитный чехол 7, вывод­ные провода изолированы защитными бусами 8 и 9. Свободное пространство заполнено окисью алюминия 10. С помощью сталь­ной втулки 11 защитный чехол соединен с водозащитной голов­кой 12 с уплотнением 13, крепление его осуществляется с помо­щью штуцера 14.

Рис.1.20. Германиевый полупроводниковый термометр.

На рис.1.20 показана конструкция чувствительного элемента полупроводникового германиевого термометра. Он представля­ет собой медную гильзу1, которая заполнена гелием и закрыта герметичной пробкой 2.

Внутри гильзы находится монокристалл германия 3, к кото­рому подведены четыре золотых проводника 4 и платиновые выводы 5. Кристалл изолирован пленкой 5.

Рис.1.21. Внешний вид полупроводниковых термометров.

Такие термометры применяют для измерения низких темпе­ратур от 1,5 до 50 К.

Для работы в обычных условиях полупроводниковые термо­метры имеют более просты в конструкции.

На рис.1.24 показаны полупроводниковые терморезисторы.

Цилиндрические терморезисторы типов КМТ-1 и ММТ-1 (рис.1.21, а), предназначенные для работы в диапазоне темпера­тур 1 - 120°С и типов КМТ-4 и ММТ-4 (рис.1.21, б) с диапазоном температур 1 - 125°С. Шайбовые термометры типа ММТ-13 (рис.1.21, в) с диапазоном температур 1 - 125°С.

ВТОРИЧНЫЕ ПРИБОРЫ ТЕРМОМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В качестве вторичных приборов, работающих с термометра­ми сопротивления, применяются уравновешенные и неуравнове­шенные мосты и магнитоэлектрические логометры. Особенность подключения термометров сопротивления к вторичным прибо­рам заключается в том, что изменение сопротивления соедини­тельных проводов оказывает влияние на точность измерения.

Чтобы исключить или уменьшить влияние дополнительного сопротивления, внесенного соединительными проводами, на ре­зультаты измерений используют различные способы. Различают двух-, трех- и четырех- проводные схемы подсоединения термо­метров сопротивления к измерительному прибору (рис.1.22).

При двухпроводной схеме включают специальную подгоноч­ную катушку, с помощью которой проводится подгонка сопро­тивления соединительных проводов до градуировочного значе­ния. Однако при изменении температуры окружающей среды погрешность за счет изменения сопротивления соединительных проводов не устраняется.

Погрешность равна:

(1.48)

где Rлэк- значение сопротивления линии в условиях эксплуатации;

Rлгр - градуировочное значение сопротивления линии.

S - коэффициент преобразования термометра Ом/К.

Данная погрешность устраняется при трехпроводной схеме подключения термометра.

В этом случае от термометра к вторичному прибору идут две цепи, одна из которых сравнительная. Изменение сопротивления в основной и сравнительной цепях компенсируют друг друга. Че-тырехпроводная схема включения термометров применяется при компенсационном методе измерения сопротивления, который танже исключает влияние изменения сопротивления соединитель­ных проводов.

Рис.1.22. Схемы подключения термометров.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УРАВНОВЕШЕННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО МОСТА

На рис.1.23 показана схема уравновешенного измерительно­го моста. Мост имеет четыре плеча, два из которых R₁ и R₂ име­ют постоянные сопротивления. Третье плечо представляет собой реохорд, четвертое - термометр сопротивления и линии переда­чи. В диагонали моста включены источник питания постоянного тока и нулевой гальванометр.

При изменении температуры изменится сопротивление тер­мометра, наступит разбаланс моста. Чтобы его сбалансировать, необходимо изменить сопротивление реохорда. В состоянии равновесия стрелка нуль-гальванометра придет на нулевую от­метку.

В равновесном состоянии падение напряжения на плечах мос­та равны, т.е.

I₁R₁=I₂R₂, (1.49)

I₃R₃ = I_Т(R_Г + R_л). (1.50)

Рис.1.23. Схема уравновешенного моста с двухпроводным соединением.

Разделив первое равенство на второе, получим:

(1.51)

при I₀= 0 имеем I₁= I₃ и I₂= Iт

Тогда можно записать, сократив токи в уравнении

R₁(Rт + R_Л) = R₂ (1.52)

При равновесии моста произведения сопротивлений противо­положных плеч равны.

Тогда:

(1.53)

На рис.1.24 показана схема уравновешенного моста с трех проводной схемой включения термометра.

Применение третьего провода перемещает одну из верши моста непосредственно к термометру. При этом исключается влияние изме­нения сопротивления линии. Уравнение моста принимает, вид:

R₁(Rт+0,5R_Л) = R₂(R₃+0,5Rл). (1.54)

Уравновешенный мост основан, также как и потенциометр, на нулевом методе измерения, поэтому обеспечивает достаточно высокую точность.

Рис.1.24. Схема уравновешенного моста с трехпроводным соединением.

Автоматически уравновешенные мосты. В настоящее время выпускаются автоматические уравновешен­ные мосты следующих серий:

КС (компенсирующие самопишущие и показывающие);

КП (компенсирующие показывающие с плоской шкалой);

КВ (компенсирующие с вращающимся циферблатом).

Их класс точности: 0,25 - 1,0.

Типы автоматических уравновешенных мостов, выпускаемых в настоящее время;

КСМ4 - полногабаритный с диаграммной лентой;

КСМЗ - малогабаритный с диаграммным диском;

КСМ1 - миниатюрный с плоской шкалой;

КВМ1 - миниатюрный с вращающимся цилиндрическим ци­ферблатом.

Эти приборы сходив по своему устройству с соответствую­щими автоматическими потенциометрами.

Рис.1.25. Схема уравновешенного моста КСМУ.

На рис.1.25 показана принципиальная схема уравновешенного моста типа КСМ4 с термометром сопротивления, присоединен­ным по трехпроводной схеме. Данная схема является типовой. В измерительной схеме прибора: R_р - уравновешивающий реохорд, R_ш - шунтирующий резистор, R_{н и} R_к-резисторы, определяющие начальное и конечное значения шкалы, r_н и rк- подгоночные к ним сопротивления, R1 и R₂ - постоянные плечи, Rб- балластный резистор, ограничивающий ток через плечи моста с целью обеспе­чения минимального нагрева термометра сопротивления, Rп1, Rп2 - подгоночные резисторы доводящие сопротивление линии каж­дого провода до 2,5 Ом.

Напряжение разбаланса усиливается электронным усилителем ЭУ, включенным в диагональ «ав».

Питание измерительной схемы происходит через диагональ «сd» переменным током напряжением 6,3 В, частотой 50 Гц от силового трансформатора электронного усилителя.

Перемещение подвижной каретки осуществляется микродви­гателем РД, подключенным к электронному усилителю.

Привод диаграммной ленте осуществляется синхронным мик-ро двигателем СД.

При изменении температуры изменяется сопротивление термо­метраRт, что приводит к разбалансу моста. В диагонали «аb» мо­ста появляется сигнал напряжения переменного тока, которое уси­ливается и подается на микродвигатель. Микродвигатель переме­щает подвижную каретку и изменяет сопротивление реохорда до наступления положения равновесия моста.

РАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ УРАВНОВЕШЕННОГО МОСТА

Расчет производится в следующем порядке.

По выбранному типу термометра и заданным значениям начальной и конечной температуры по градуировочной харак­ теристике термометра находят значения его сопротивления для начала и конца шкалы,

Выбирают сопротивления плеч моста:

R₂=R₃: R₁>>R_т

Обычно R₂ и R₃ выбирают в пределах 100-400 Ом, чаще всего 300 Ом.

Эквивалентное сопротивление R_э реохорда с шунтирующим резистором R_ш задается равным 90,100 или 300 Ом (преимущественно 90 Ом). Таким образом, величина R_ш зависит от сопротивления реохорда и подгоняется до величины эквивалентного сопротивления.

Сопротивление резистора Rн, определяющего начальное значение шкалы принимают равным 4-10 Он. (обычно 4,5 Ом)

Определяют сопротивление плеча моста R₁:

(1.55)

где

где

- сопротивление термометра в начале и в конце диапазона измерения; R_л = 2,5 Ом.

6. Определяется приведенное знамение сопротивления цепи реохорда:

(1.56)

7. Определяют сопротивление Rк, определяющее конечное зна­чение шкалы моста:

(1.57)

Принимается максимальное значение тока, протекающего через термометр, равным I_МАХ= 0,007 А.

Определяют величину баластного резистора:

(1.58)

где U= 6,3 В - напряжение питания схемы моста.

Но на практике сопротивления принимается без расчетов, равным 450 Ом.

Неуравновешенные измерительнее мосты.

На рис. 1.26 показана схема неуравновешенного измеритель­ного моста. В три плеча моста включаются постоянные резисторы R₁, R₂, R₃, а в четвертое включается термометр сопротивления Rт. С помощью переключателя для контроли моста термометр откликается, а вместо него поднимается контрольный резистор Rк. При этом стрелка милливольтметра устанавлива­ется на контрольной отметке шкалы.

Принцип работы схемы зак­лючается в следующем. Пусть мост находится в состоянии равновесия при температуре измеря­емой среды 0°С. При повышении температуры увеличивается со­противление термометра Rт, что вызывает появление тока в ди­гонали «cd». Этот ток, фиксируе­мый милливольтметром, будет пропорциональным повышению температур:

Iм=f(Rт). (1.59)

Шкала прибора вначале равномерная, в конце несколько сжимается, т.к. с увеличением сопротивления термометра появляется нелинейность. Недостатком неуравнове­шенного моста является необходимость систематической проверки и подгонки напряже­ния на его вершинах.

Для измерения температуры в промышленных условиях не­уравновешенные мосты не применяются. Они нашли применение для измерения сопротивления в газоанализаторах, концентратомерах и ряде других средств измерений

Рис. 1.26. Схема неурасновешенного моста.

.

Магнитоэлектрические логометры.

На рис.1.27 показана схема магнитоэлектрического логометра. Логометр имеет неподвижную часть, состоящую из двух, жестко скрепленных небольшим углом рамок (обмоток) 1 и 2, которые могут поворачиваться на опорах (кренах) в неравномерном маг­нитном поле постоянного магнита и соединены со стрелкой 3.

Эта неравномерность поля осуществляется тем, что воздушный зазор между полюсными наконечниками 4 и 5 и сердечником 7 с рамками уменьшается от центра к краям наконечников.

Обе рамки логометра питаются от одного источника постоянного тока таким образом, что их вращающие моменты направлены навстречу друг другу. Электрическая цепь одной рамки состоит из сопротивления рамки R_Р1 и сопротивления добавочного резистора R₁.

(1.60)

Цепь другой - из сопротивления рамки R_Р2 сопротивления добавочного резистора R₂ и сопротивления термометра R_r

(1.61)

Рис.1.27. Схема магнитоэлектрического логометра

Отношение токов равно:

(5-62)

Учитывая, что изменяется только сопротивление термометра, можно записать:

(1.63)

Таким образом, угол поворота подвижной системы зависит только от сопротивления термометра, а не зависит от источника питания. Это очень важно, т.к. исключается погрешность за счет изменения напряжения питания.

Когда токи в рамках равны, подвижная система логометра находится в положении равновесия. Изменение температуры вызывает соответствующее изменение сопротивления термометра, что приведет к изменению тока в цепи термометра 1₂ и соответственно отношения токов 1/1^ Нарушается равновесие подвижной системы. Вращающие моменты рамок становятся разными. Подвиж­ная часть поворачивается в сторону действия большего момента до тех пор, пока не наступит новое состояние равновесия. При этом рамка с большим моментом (с большой силой тока) входит в расширяющу­юся часть воздушного зазора, т.е. в область более слабого магнитно­го поля. Тем самым уменьшается вращающий момент рамки. Рамка же с меньшей силой тока входит в сужающуюся часть воздушного зазора, что приводит к увеличению вращающего момента, т.к, увели­чивается магнитное поле.

Размеры и число витков обеих рамок одинаковы, поэтому можно записать условие равновесия:

(1.64)

где В₁, и В₂- магнитные индукции в зонах расположения рамок R_Р1и R_Р2. Промышленностью выпускаются щитовые показыва­ющие логометры типов: Л-64; ЛП-66 (показывающий с профиль­ной двухстрочной шкалой); ЛР-64-02 (показывающий с сигналь­ным устройством). Класс точности приборов 1,5,

На рисунке 1.28 показана принципиальная схема логометра типа Л-64 с трехпроводным включением термометра сопротивления.

Логометр совмещен с неуравновешенным мостом. При этом повышается чувствительность и осуществляется температурная компенсация. Постоянные резисторы R₁- R₃ образуют три плеча моста. Причем R₁ = Rr в четвертое плечо включены: постоянный резистор R₄, термометр сопротивления R_Т и подгоночный резис­тор R_пт Второй подгоночный резистор включен в плечо R_r

Рис.1.28. Принципиальная схема логометра Л-64.

В одну диагональ моста включены рамки логометра (аЬ), в дру­гую (cd) - источник сетевого питания ИП напряжением 4В. Сред­няя точка (е) между рамками логометра соединена с вершиной моста через резисторы R₅ и R₆ один из которых медный для тем­пературной компенсации, второй манганиновый для получения заданного угла отклонения подвижной части логометра.

Состояние равновесия моста соответствует середине шкалы прибора при соответствующем сопротивлении термометра. При этом обе рамки логометра занимают симметричное положение относительно оси полюсных наконечников магнита. Падения напряжения на резисторах R₁и R₃ равны и потенциалы в вершинах а и b также равны.

При отклонении измеряемой температуры в ту или другую сторону от средней отметки, рав­новесие моста нарушается. По­вышение температуры приводит к увеличению сопротивления термометра, уменьшению тока в рамке R_Р2, а понижение - к уве­личению тока. В обоих случаях возникает разность вращающих моментов, которая заставляет вращаться, подвижную часть ло-гометра до нового положения равновесия.

Резистор R_к предназначен для контроля правильности подгон­ки сопротивления проводов с помощью резисторов R_П1 и R_П2 Для этого провод с зажима (Л) переносится на зажим (К). При этом стрелка логометра долина установиться на контрольной (красной) отметке.

Логометр Л-64 - с профильной шкалой длиной 130 мм. Он вы­пускается для термометров сопротивления градуировочных ха­рактеристик гр.21-23. Прибор рассчитан для работы при темпе­ратуре окружающего воздуха 10-35°С.

Поверка автоматических уравновешенных мостов и логометров производится с помощью образцового моста или магазина сопротивлений.

4. СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА.

mV

⁰C

5. ПРОМЫШЛЕННЫЙ ОБРАЗЕЦ.

Технические данные и характеристики термопреобразователя типа ТСП-8053

1. Рабочий диапазон измеряемых температур от - 50 до + 400 ⁰С

2. Условное обозначение номинальной статической характеристики 50П

3. Класс допуска В

4. Сопротивление при 0 ⁰С (R₀) при выпуске из производства 500,05

5. Отношение сопротивления при +100 ⁰С к сопротивлению при 0 ⁰С (W₁₀₀) при выпуске из производства 1,3910,00015

6. Предел допускаемого значения погрешности –1,26 … 1,78

7. Показатель тепловой инерции 7 с

в защитной гильзе 60 с

8. Устойчивость к механическим воздействиям - иброустойчивый

9. Материал защитной арматуры - сталь 08Х18Н10Т

10. Условное давление Р_у, МПа - 0,63

11. Длина монтажной части, мм – 80

12. Масса, кг – 0,32

13. Полный назначенный ресурс ( до списания ), ч, не менее - 25000

Данные термопреобразователи выпускаются со следующими диапазонами измерения.

Диапазон преобразования температур		Класс точности	Предел допускаемой приведенной основной погрешности
Нижний	Верхний
- 200	-70	0.4	0.4
- 120	30
- 70	180
0	100
0	150
0	200
0	300
0	400
0	500
200	500

Статическая градуировочная характеристика термопреобразователей данного типа приведена в 4 разделе.

Из условий эксплуатации выбираем термопреобразователь со шкалой 0100 0С.

Выбранный термопреобразователь работает в комплекте с нормирующим преобразователем типа Ш 79.

Преобразователь Ш 79 предназначен для преобразования сигналов термопреобразователей сопротивления (ТП) в унифицированный сигнал постоянного тока 05 мА или напряжения постоянного тока 0+10 В.

Преобразователь может быть использован в системах регулирования и управления технологическими процессами в энергетике, металлургии, нефтяной, нефтехимической и других отраслях промышленности в измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах.

Преобразователь предназначен для работы с ТП типов ТСМ и ТСП.

Соединение термопреобразователя сопротивления с преобразователем осуществляется трехпроводной линией. Сопротивление каждого провода линии связи не превышает 10 Ом.